Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
СЕМИКИН Сергей Николаевич
ОБОСНОВАНИЕ СИСТЕМЫ МИКРОКЛИМАТА
ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ ПО ПОКАЗАТЕЛЯМ ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ И УСЛОВИЯМ ТРУДА ВОДИТЕЛЯ
Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации
сельского хозяйства
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва - 2012
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина
Научный руководитель: доктор технических наук, старший научный сотрудник
Дзоценидзе Тенгизи Джемалиевич
Официальные оппоненты: Сайкин Андрей Михайлович, доктор технических наук,
ФГУП Научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт, директор проекта Центра Проектная команда
Перевозчикова Наталья Васильевна, кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина, профессор кафедры Тракторы и автомобили
Ведущая организация: ОАО Федеральный исследовательский испытательный
центр машиностроения
Защита состоится 26 ноября 2012 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д. 220.044.01 при ФГБОУ ВПО Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина по адресу: 127550, Москва, ул. Лиственничная аллея, д. 16а, корп. 3, конференц-зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина.
Автореферат разослан 26 октября 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
к.т.н., доцент Дорохов Алексей Семенович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Отечественное сельскохозяйственное производство обладает огромными потенциальными возможностями и сохраняет большие перспективы развития. Для реализации имеющихся возможностей необходимо обеспечить развитие транспортной инфраструктуры на селе. В этой связи, разработке транспортных средств сельскохозяйственного назначения оправданно уделяется большое внимание, что особенно актуально для малых форм хозяйствования.
Транспортные средства сельскохозяйственного назначения работают в условиях бездорожья, практически во всех климатических зонах и эксплуатируются, как правило, круглогодично. Для обеспечения требуемых условий труда водителя (оператора) и эргономических требований кабины транспортных средств должны быть оборудованы системами микроклимата, в состав которых входят устройства и агрегаты отопления, вентиляции, охлаждения и очистки воздуха. Недостаточно обоснованное применение той или иной системы микроклимата может привести к снижению производительности транспортного средства в целом и росту себестоимости перевозок, из-за возрастания нагрузки на силовой агрегат и увеличению расхода топлива.
Следовательно, анализ и разработка рекомендаций по обоснованию параметров системы микроклимата в привязке к показателям производительности транспортных средств сельскохозяйственного назначения является актуальной задачей.
Цель работы - определить влияние системы микроклимата на энергетический баланс транспортного средства сельскохозяйственного назначения по показателям топливной экономичности и улучшению условий труда водителя.
Задачи исследования.
- Провести аналитические исследования по обоснованию и формулированию исходных требований для разработки системы микроклимата малогабаритных транспортных средств сельскохозяйственного назначения (МТС).
- Провести расчетные исследования по вновь разработанной математической модели и определить степень влияния системы микроклимата на энергетический баланс МТС по показателям топливной экономичности.
- Разработать конструкцию, выбрать агрегатную базу и изготовить системы микроклимата для опытных образцов МТС первой и второй серии.
- На основе анализа полученных результатов разработать мероприятия по улучшению эргономических показателей рабочего места водителя МТС Silant и улучшения условий его труда.
- Провести комплексные экспериментальные исследования предсерийных образцов МТС Silant, оборудованных вновь разработанными системами микроклимата и оценить адекватность полученных результатов.
- Проанализировать экономическую эффективность МТС.
Объект исследования - опытные образцы МТС первой и второй серии, предсерийный образец МТС Silant.
Методы исследования. Использованы методы математического анализа и моделирования. Использован программный пакет МВК для комплексных исследований автомобиля. При проектировании применялись пакеты программ MATLAB R2008b, SolidWorks 2010, AutoCAD Mechanical 2010. Экспериментальные исследования проводились с применением измерительного оборудования и на специальных дорогах Автополигона ФГУП НАМИ.
Научная новизна работы заключается в разработке математической модели влияния системы микроклимата на энергетический баланс транспортного средства сельскохозяйственного назначения по показателю топливной экономичности.
Практическая значимость работы:
- проанализировав работу системы микроклимата была разработана математическая модель, позволяющая на этапе проектирования обосновывать параметры системы микроклимата и агрегатный состав с точки зрения влияния на энергетический баланс транспортного средства по показателям топливной экономичности;
- математическая модель позволяет на этапе проектирования кабины транспортного средства оценить влияние ее параметров на экономические и эргономические показатели рабочего места водителя (оператора), что сокращает временя на разработку, существенно снижается стоимость, уменьшает объем и сроки экспериментальных исследований;
- разработанные рекомендации по учету влияния системы микроклимата на энергетический баланс транспортного средства позволяют на этапе проектирования осуществить конструктивные мероприятия по улучшению эргономических показателей рабочего места водителя и условий его труда с учетом особенности конструкции кабины.
Реализация результатов работы.
Разработанная математическая модель используется в научно-исследовательской и проектно-учебной лаборатории транспортных средств сельскохозяйственного назначения инновационного научно-технического комплекса ФГБОУ ВПО МГАУ, что подтверждается справкой о внедрении.
Вновь разработанные системы микроклимата серийно выпускаются и используются в составе МТС Silant (ОАО Автоспецоборудование, г. Великий Новгород), что подтверждается соответствующей справкой о внедрении.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на:
- VI и VIII Международных автомобильных научных форумах (МАНФ), Москва, 2008 г. и Дмитров 2010 г.;
- Международной научно-практической конференции Научные проблемы автомобильного транспорта, Москва, ФГОУ ВПО МГАУ, 2010 г.;
- Международной научно-практической конференции Научные проблемы эффективного использования тягово-транспортных средств в сельском хозяйстве, Москва, ФГБОУ ВПО МГАУ, 2011-2012 гг.
Все положения, вошедшие в работу, рассматривались на заседаниях секции Автомобили НТС ФГУП НАМИ и Кафедре эксплуатации машинно-тракторного парка ФГБОУ ВПО МГАУ.
Публикации. Основные научные результаты опубликованы в 6 научных работах: в том числе одна монография в соавторстве, 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, и получен один патент на полезную модель № 34898.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованных источников из 109 наименований. Объем диссертационной работы составляет 150 страниц текста. Основной текст изложен на 147 страницах и содержит 54 рисунка и 20 таблиц.
Автор выражает глубокую благодарность доктору технических наук, профессору, Лауреату государственной премии в области науки и техники, Заслуженному изобретателю РСФСР Ю.К. Есеновскому-Лашкову и кандидатам технических наук М.А. Козловской и Д.А. Загарину за оказанную в процессе работы помощь.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении изложена суть решаемых в диссертационной работе задач, показана актуальность проблемы, охарактеризована научная новизна и практическая ценность работы.
В первой главе рассмотрено состояние проблемы создания транспортных средств сельскохозяйственного назначения, приведены результаты обзора исследований по созданию систем микроклимата и их влияния на энергетический баланс транспортного средства, по улучшению условий труда водителя в условиях сельскохозяйственного производства, сформулированы цели и задачи исследования.
Серийно выпускаемые отечественной промышленностью грузовики востребованы на селе в малых количествах, т.к. большинство автомобилей по тем или иным показателям не приспособлены к специфическим условиям эксплуатации на селе. Поэтому следует признать, что текущее состояние транспортно-технологического обеспечения сельскохозяйственного производства требует безотлагательной модернизации.
Проблемы обеспечения АПК транспортом рассмотрены в работах В.П. Алферьева, Е.Н. Бородиной, Н.И. Бычкова, Н.И. Верещагина, В.А. Гобермана, О.Н. Дидманидзе, Т.Д. Дзоценидзе, А.М. Долгошеева, М.Н. Ерохина, Ю.К. Есеновского-Лашкова, Н.Е. Евтюшенкова, А.В. Журавлева, Д.А. Загарина, А.Ю. Измайлова, М.А. Козловской, Л.Ф. Кормакова, В.М. Кряжкова, И.П. Ксеневича, Ю.Ф. Лачуги, А.Г. Левшина, А.Н. Скороходова, Е.А. и М.П. Смирновых, В.И. Черноиванова, В.М. Шарипова и др. Несмотря на это, нерешенность проблемы обеспечения сельского хозяйства транспортными средствами, приспособленными к специфическим условиям эксплуатации, во многом обусловлена недостатками в процессе развития автомобильной промышленности в целом. С учетом наличия тяжелых дорожных условий и бездорожья, очевидно, что задача по обоснованию технических параметров машин, состава семейств, проведения полномасштабных НИОКР и освоения серийного производства новых автомобилей сельскохозяйственного назначения является актуальной.
При исследовании тенденций использования автотранспорта в сельскохозяйственном производстве необходимо учесть следующее. Первое. Значительную долю в сельском хозяйстве занимают перевозки малотоннажных грузов, при этом автомобили большой и средней грузоподъемности существенно недоиспользуются, и очень остро ощущается нехватка малотоннажных автомобилей грузоподъемностью 0,5Е1,0 т. Второе. Грузовые автомобили в сельском хозяйстве широко задействованы для перевозки людей - работников, руководителей среднего и высшего звена. При этом перевозки осуществляются как внутри хозяйств, так и внутри районов. Использование грузовых автомобилей для служебных поездок в качестве личного транспорта определяет требование к пассажировместимости кабин транспортных средств, а также к показателям эргономики и уровню комфорта.
В результате проведенных исследований было создано семейство малогабаритных транспортных средств с широкими функциональными возможностями (МТС), были обоснованы технические и технологические параметры этих машин и предложен типаж этих машин. Всего было создано 10 опытных образцов первой и второй серии, освоенные в дальнейшем в серийное производство под брендом Silant. На рис. 1Е4 показан внешний вид образцов МТС и Silant. Некоторые технические параметры МТС приведены в таблице 1. Все образцы оборудованы системой микроклимата.
| Рисунок 1. МТС НАМИ-2868 - базовое шасси с навесным оборудованием и задним ВОМ. | Рисунок 2. МТС НАМИ-3333 - трехосный гру-зовой автомобиль с колесной формулой 6х6. |
| Рисунок 3. Серийный образец МТС Silant коммунального назначения. | Рисунок 4. Серийный образец МТС Silant для добровольных пожарных дружин. |
Таблица 1- Некоторые технические параметры МТС
Модель | МТС - самосвал с разгрузкой на три стороны и гидронавесной системой |
Колесная формула | 4х4 |
Компоновочная схема | с коротким капотом |
Число мест в кабине | 3 |
Грузоподъемность, кг | 800 |
Полная масса, кг | 3950Е4020 |
Снаряженная масса, кг | 3150Е3220 |
База , мм, не более | 2760 |
Колея передних/задних колес, мм, не более | 1819/1789 |
Габаритные размеры без навесного оборудования, мм, не более: ДхШхВ | 5309х2240х2859 |
Объем грузового помещения, куб. м., не менее | 2,7 |
Погрузочная высота, мм, не более | 1280Е1370 |
Максимальный угол преодолеваемого подъема, %, не менее | 30 |
Дорожный просвет под балками мостов на твердой опорной поверхности при полной нагрузке, мм, не менее | 340 |
Тяговый класс по ГОСТ 27021-86 | 0,9 |
Скорости движения, км/ч: наименьшая/ наибольшая рабочая/наибольшая транспортная | 4/12,3/50 |
Двигатель (марка, тип) | Дизель Д-130Т, 4-х тактный, 3-х цилиндровый, воздушного охлаждения, с турбонаддувом |
Эксплуатационная мощность дизеля, кВт (л.с.) | 47,75 (65) |
Частота вращения коленчатого вала, об/мин | 2200 |
Максимальный крутящий момент, Нм (кгсм) | 217,6 (22,25) |
Диапазон эксплуатационной частоты вращения коленчатого вала, об/мин | 900Е2145 |
Однако недостаточно обоснованное применение той или иной системы микроклимата может привести к снижению производительности транспортного средства в целом и росту себестоимости перевозок, из-за возрастания нагрузки на силовой агрегат и увеличению расхода топлива. Следовательно, проведение аналитического исследования по обоснованию и формулированию исходной информации для разработки системы микроклимата МТС, а также разработка конструкции с выбором агрегатной базы и изготовление системы микроклимата для опытных образцов МТС являются актуальными задачами исследования.
Обеспечению микроклимата на рабочем месте водителя посвящено множество научных работ и статей, анализ которых необходимо провести с целью определения требований к рабочему месту водителя. Этот вопрос рассмотрен в работах А.В. Аношина, В.В. Батурина, А. Беккера, А.И. Вайсмана, А.И. Гавриченко, М.И. Гримитлина, В.М. Гусева, В.И. Деревянко, А.Г. Егиазарова, О.П. Иванова, В.А. Карепова, Д.В. Матвеева, В.А. Михайлова, Н.В. Перевозчиковой, А.М. Сайкина, С.М. Шилклопера и др. Применение системы микроклимата влияет на энергетический и топливный баланс МТС. Поэтому необходимо разработать математическую модель для определения степени влияния по критерию топливной экономичности. В нашем случае, определение степени влияния системы микроклимата на энергетический баланс МТС можно вести в качестве локальной или частной задачи. В связи с этим, разработка соответствующей математической модели и проведение расчетных исследований является актуальной задачей.
В результате проведенного анализа можно сделать вывод, что задача поддержания комфортных параметров микроклимата на рабочем месте является весьма сложной и неоднозначной, так как с одной стороны необходимо выдерживать требования нормативных документов, а с другой стороны надо дать возможность человеку, находящемуся в предназначенной для него рабочей зоне, возможность изменять тепловые условия в соответствии с собственным теплоощущением. Следовательно, задачи по разработке мероприятий по улучшению эргономических показателей рабочего места водителя и улучшению условий его труда, а также проведение комплексных экспериментальных исследований предсерийных образцов МТС Silant, оборудованных вновь разработанными системами микроклимата, с последующей оценкой адекватности полученных результатов являются актуальными задачами исследования.
Во второй главе приведены результаты теоретических исследований системы микроклимата, влияния рециркуляции на тепловой баланс кабины и численного анализа течения воздуха, разработана математическая модель влияния системы микроклимата на энергетический баланс транспортного средства по показателю топливной экономичности и проведен анализ результатов расчетных исследований.
Исходным пунктом проектирования систем отопления и вентиляции является определение требуемого расхода и параметров воздуха (температуры, влажности) на выходе из системы микроклимата. Эти показатели, наряду с внешними факторами и требованиями, характеризующими особенности эксплуатации и функционирования системы на данном автомобиле, с самого начала влияют на направление поиска приемлемого варианта системы, а после выбора схемы определяют размеры, массу и энергетические характеристики отдельных элементов и агрегатов.
Тепловое состояние людей и оборудования, находящихся в кабине, определяется одновременно воздействием нескольких факторов в соответствии с имеющими место формами теплообмена с окружающей средой: конвекцией, излучением, теплопроводностью. Естественно, что полная характеристика теплового режима, отопления и вентиляции салона должна включать в себя совокупность показателей. Уравнение (1) теплового баланса:
QстQоб+Qл+QсQсмв= 0, (1)
где Qст - тепловые потоки от стенок (тепловые потоки принимаются положительными, если тепло подводится к воздуху), Вт; +Qл - тепло, выделяемое людьми (водитель, пассажиры), Вт; +Qс - солнечное излучение, Вт; Qсмв - тепловые потоки, поступающие от системы микроклимата, Вт; Qоб - тепловые потоки от оборудования, размещенного внутри кабины, Вт, является базовым для проведения теплового расчета кабины по двум направлениям: определение потребной величины Qсмв, т.е. необходимой тепло- или холодопроизводительности системы для поддержания заданной температуры в определенных условиях, и определение, при известных характеристиках системы микроклимата, температуры воздуха в кабине при данных условиях движения. И в том, и в другом случае тепловой расчет сводится к решению уравнения теплового баланса, т.е. к нахождению при заданных условиях суммы всех слагаемых уравнения (1).
Максимально допустимая температура подаваемого воздуха согласно ГОСТ Р 50993-96 составляет 80С. Минимальная температура выбирается такой, чтобы предотвратить образование в системе инея или тумана в результате конденсации или вымораживания влаги, содержащейся в воздухе, когда температура его становится ниже точки росы. С учетом указанных соображений, минимальная температура редко принимается ниже +5С, а в тех случаях, когда температура воздуха ниже, в системе предусматривается специальные устройства для дополнительной осушки воздуха. Допустимые значения расхода воздуха через кабину ограничиваются с одной стороны существующими нормами на вентиляцию, а с другой стороны допустимыми максимальными скоростями перемещения воздуха по кабине.
На современных системах микроклимата, режим рециркуляции воздуха является обязательным. При включении этого режима, подача наружного воздуха, полностью или частично, перекрывается и на вход в систему подается воздух из салона. Этот режим является необходимым, так как при его работе значительно увеличивается эффективность системы, как в режиме отопления, так и кондиционирования воздуха. Снижение тепловой нагрузки с применением рециркуляции воздуха приводит к уменьшению перепада температуры на теплообменнике и для поддержания внутри кабины одинаковой температуры затрачиваемую мощность можно уменьшить на 43Е46%.
По условиям комфортабельности в салоне автомобиля требуется поддерживать температуру в пределах 20Е25С, независимо от температуры окружающей среды. Количество энергии, затраченное на решение этой задачи, можно подсчитать по формуле:
Q = CVt, (2)
где Q - количество теплоты, Вт; С - теплоемкость воздуха, ; V - объем воздуха, м3; t = t1 - t2 разность температур наружного и внутреннего воздуха.
Система кондиционирования обеспечивает такой важный эргономический показатель, как обзорность. Иными словами, система микроклимата выполняет также важную роль при обеспечении безопасности управления автомобилем, обеспечивая обзорность, путем устранения обледенения и запотевания. Поэтому расчет параметров обдува ветрового стекла на стадии проектирования является важным фактором. Обдув стекол осуществляется через сопла разной формы и размеров. Самым распространенным видом сопел обдува ветрового стекла являются сопла прямоугольного сечения. Расположение сопел и их размеры на панели приборов часто определяется конструкцией кузова и формой панели приборов. Наклон ветрового стекла и его размеры, определяются требованиями аэродинамики кузова и внешним видом автомобиля. Для оценки поведения струи воздуха при обдуве ветрового стекла и параметров в любой точке была разработана методика расчета обдува стекла потоком воздуха из сопла прямоугольного сечения.
Как правило, сопло располагается в панели приборов на расстоянии 50Е150 мм от нижнего края ветрового стекла и соотношение ширины сопла к длине меняется от 1:5 до 1:100. Струя выходит из сопел со скоростью 5Е10 м/с. Следовательно, имеет место соударение под углом к стеклу плоской струи воздуха. Схема соударения струи со стеклом показана на рисунке 5.
Система обдува ветровых и боковых стекол должна обеспечивать видимость через остекление автомобиля с минимальными затратами тепла при любых условиях эксплуатации, а также осуществлять устранение обледенения и запотевания за определенный период времени, поэтому необходимо знать параметры потока воздуха в любой точке поверхности стекла и от каких параметров системы они зависят. Схему течения воздуха в рассматриваемом случае можно разбить на три области: свободная струя, зона разворота, и струя, стелящаяся по поверхности стекла. Экспериментальные данные показали, что в свободной струе, статистическое давление на оси струи вплоть до зоны разворота практически не отличается от давления на оси обычной затопленной струи, т.е., вплоть до зоны разворота параметры течения в струе подчиняются обычным закономерностям. Так как течение в свободной струе не отличается от течения в обычной затопленной струе, то для расчета параметров струи были использованы известные формулы, приведенные в таблице 2.
При обдуве стекол, в основном, используется начальный участок струи. Таким образом, можем определить все параметры струи на входе в зону разворота. Расчет зоны разворота для плоской струи в литературных источниках не встречается.
Рисунок 5. Схема струи, соударяющаяся со стеклом под произвольным углом. Здесь b - ширина струи, м; W - скорость воздуха в струе, м/с; R - средний радиус разворота струи, м; - угол соударения струи с плоской поверхностью, град; l - расстояние от среза сопла до точки соударения струи с поверхностью стекла по оси струи, м; Т1,2Т - параметры настильных струй на выходе из зоны разворота; Тх1, х2Т - параметры настильных струй на расстоянии Х от зоны.
Таблица 2 - Расчетные формулы для плоской струи
Параметры | Значение относительной величины | ||
на начальном участке | в переходном сечении | на основном участке | |
Расстояние от отверстия, l | =14,4 l | > 14,4 l | |
Полуширина струи box | b0 (1+0,151 l) | 3,36 b0 | b0+0,22 l |
Средняя скорость Wox | 0,45W0 | ||
Объемный расход Qox | 1,425Q0 | ||
Тангенс бокового угла | tg =0,151 | Ч | tg = 0,22 |
Автором в процессе работы над темой диссертации, была сформулирована рабочая гипотеза, что, струя ведет себя в зоне разворота аналогично движению потока воздуха в тройнике с плавными отводами с радиусами R1 и R2, соединяющими середины струй на входе и выходе из зон разворота. По результатам визуализации потока средний радиус разворота струи в сторону большого угла разворота примерно равен ширине струи при выходе из зоны, а средний радиус разворонта струи в сторону меньшего угла разворота примерно равен 1,5Е2 ширины струи на выходе из зоны разворота. Зона разворота имеет малые геометрические размеры и поэтому существенных источников потерь на трение в ней не имеется.
Для опытных и серийных образцов МТС разработка системы микроклимата и организация рабочей зоны водителя по эргономическим показателям проводились в соответствии с результатами приведенных выше теоретических исследований.
Математическая модель влияния системы микроклимата на энергетический баланс транспортного средства по показателю топливной экономичности была разработана в виде локальной (частной) задачи в известном программном комплексе МВК. Данный пакет компьютерных программ построен по единой логической схеме и, в общем случае, обеспечивается возможность на стадии проектирования рассчитать новый агрегат автомобиля.
Для настоящей работы интерес представляют потери на привод вспомогательного оборудования. Как и механические потери двигателя, для удобства анализа и сопоставления их приводят к рабочему объему двигателя. Таким образом, вместо абсолютной величины потерь на привод вспомогательного оборудования можно использовать показатель - давление потерь на привод вспомогательного оборудования:
(3)
где - давление потерь на привод вспомогательного оборудования при скорости, близкой к 0; b - коэффициент, учитывающий интенсивность роста от скорости потерь на привод вспомогательного оборудования от частоты вращения коленчатого вала. При анализе экспериментальных данных удалось выразить эти коэффициенты через рабочий объем цилиндра. Величины и b определяются по формулам:
МПа;
Для разработки математической модели проведем оценку энергетического и топливного балансов МТС. Энергия, затраченная на работу системы кондиционирования воздуха, входит в сумму энергий, затраченных на преодоление потерь в приводе вспомогательного оборудования. Следовательно, для оценки влияния системы кондиционирования воздуха на энергетический баланс транспортного средства необходимо подробно рассмотреть структуру энергии, затрачиваемой на преодоление механических потерь двигателя.
Так как структура энергии, затрачиваемой на преодоление механических потерь двигателя (Wм), и энергии, затрачиваемой на привод вспомогательного оборудования (Wτ) схожа, то их суммарное значение (Wмτ) можно выразить в следующем виде:
(4)
где i и Vh - число цилиндров и рабочий объем одного цилиндра; uТР - передаточное число трансмиссии; rк Ц радиус качения колеса, м; - давление механических потерь двигателя и потерь на привод вспомогательного оборудования при скорости, близкой к 0; - коэффициенты, учитывающие интенсивность роста от скорости давления механических потерь двигателя и потерь на привод вспомогательного оборудования; S - путь, равный 100а000 метров (105 м); V - скорость автомобиля, км/ч.
Параметры , , и в отличие от pi являются условными величинами, приведенными к рабочему объему двигателя поскольку не представляют собой давления в прямом смысле этого слова. Однако они широко используются на практике из-за удобства расчетов характеристик двигателей их анализа и сопоставления с аналогами.
Определение изменения средней силы сопротивления движению автомобиля, приведенной к его колесам, при установке кондиционера происходит по формуле:
,
где Е - энергия, затраченная при работе кондиционера на пути 100 км, определяемая по следующей формуле, Дж:
E = Nk T,
где Nk - мощность компрессора, кВт; T - время работы, с.
Объединяя уравнение теплового баланса кабины и уравнение, описывающее структуру затрат энергии механических потерь и энергии, затраченной на привод вспомогательного оборудования, получаем уравнение математической модели влияния системы кондиционирования воздуха на энергетический баланс транспортного средства:
(5)
где - потери на привод вспомогательного оборудования, без учета потерь на привод систем кондиционирования воздуха; - коэффициент полезного действия системы кондиционирования воздуха.
После определения энергии, расходуемой на привод системы кондиционирования воздуха, можно определить путевой расход топлива, расходуемый при работе этой системы.
Путевой расход топлива определяется по следующей зависимости:
где gis - удельный индикаторный расход топлива, г/105Дж или г/Н⋅100 км; - плотность топлива, кг/м3.
Численное значение gis равно:
, (6)
где и - текущее и минимальное значение удельного индикаторного расхода топлива или ; и - коэффициенты, учитывающие изменение от и ; и - точки перегиба зависимостей и ; - угловая скорость вращения выходного вала двигателя.
Рассмотрим описанные выше закономерности на конкретном примере МТС Silant. Объем кабины данного транспортного средства составляет 2,95 м3. Для расчета выберем летний период эксплуатации автомобиля при максимально разрешенной температуре наружного воздуха +45С. Как уже отмечалось, температура внутри кабины не должна подниматься выше +25С. Тогда получаем, что мощность, необходимая для привода системы кондиционирования воздуха составляет около 5 кВт. При тех же самых параметрах, но при условии работы системы кондиционирования воздуха в режиме рециркуляции требуемая мощность составляет 3 кВт. В таблице 3 приведены результаты расчетных исследований.
Таблица 3 - Результаты расчетных исследований
Движение без кондиционера | Кондиционер работает в режиме забора наружного воздуха | Кондиционер работает в режиме рециркуляции | |
Энергия, затраченная при работе кондиционера Е (Дж) | 0 | 514,3 105 | 308,57 105 |
Средняя сила сопротивления движению Pi (Н) | 0 | 514,3 | 308,57 |
Топливо, затраченное на работу кондиционера Qks (л/ 100 км) | 0 | 1,15 | 0,63 |
Подробный топливный баланс автомобиля Silant при движении со скоростью 35 км/ч по асфальтовому покрытию, определенный с помощью программы, представлен на рис. 6.
Рисунок 6. Топливный баланс автомобиля Silant.
Анализ результатов расчетных исследований показывает, что расходы топлива на привод системы кондиционирования воздуха сопоставимы с затратами топлива на преодоление аэродинамического сопротивления. Использование системы рециркуляции воздуха позволяет снизить расход топлива на привод системы кондиционирования на 45%. В дальнейшем были проведены экспериментальные исследования для оценки адекватности полученных результатов.
В третьей главе приведены результаты разработки конструкции системы микроклимата на примере малогабаритного транспортного средства сельскохозяйственного назначения Silant.
При разработке конструкции системы микроклимата и организации рабочего места водителя с целью улучшения эргономических показателей были проведены расчетные исследования с помощью компьютерного моделирования и визуализации работы системы. Анализ аэродинамики потоков воздуха внутри кабины проводился с помощью приложения Flow Simulation к программе SolidWorks. Математический анализ производился в четырех режимах работы системы микроклимата: а) весь поток воздуха направлен на лобовое стекло; б) весь поток воздуха направлен на сопла вентиляции салона; в) весь поток воздуха направлен в ноги водителя и пассажира; г) поток воздуха распределен между соплом обдува ног и соплом обдува лобового стекла в пропорции 70:30. Приведем для примера результаты для режима б) (рис. 7Е8, табл. 4).
Режим б) используется исключительно в летнее время при работе системы вентиляции или кондиционирования. Как видно из рис. 7, весь поток воздуха выходит из сопел вентиляции салона и направлен в задний верхний угол кабины, расположенный непосредственно над головами водителя и пассажира. Дойдя до этого угла поток воздуха разворачивается и направляется вниз. Такая организация потоков воздуха является наилучшей, с точки зрения вопроса охлаждения кабины. В отличие от первого варианта, при котором поток воздуха сначала охлаждает лобовое стекло и верх кабины, в этом варианте холодный воздух направляется в зону расположения водителя и пассажира практически сразу, а значит, процесс охлаждения кабины происходит намного быстрее. К тому же, направление потока воздуха на выходе из системы микроклимата может быть отрегулировано с помощью поворотного сопла в довольно широких пределах. Это позволит водителю установить оптимальный для него режим охлаждения, а также учесть влияние солнечной активности.
Таблица 4 - Результаты расчетных исследований (режим б)
Зона измерения | ГОСТ Р 50993-96, м/с | Расчет, м/с |
Скорости воздушных потоков на выходе из системы вентиляции (кондиционирования) | не более 12 | 7,7 |
Подвижность воздуха в зоне головы водителя | 0,5Е1,5 | 0,77Е1,54 |
Подвижность воздуха в зоне пояса водителя | 0,5Е1,5 | 0Е0,77 |
| Рисунок 7. Траектория движения воздуха, режим б) | Рисунок 8. Диаграмма скоростей воздуха в плоскости сопел вентиляции салона при режиме б) |
Серийное производство МТС было организованно в г. Великий Новгород, на ОАО Автоспецоборудование. В процессе подготовки МТС к серийному производству, в его конструкцию и комплектацию были внесены некоторые изменения. В частности, вместо дизеля Д-130Т с воздушным охлаждением был установлен двигатель компании Perkins с жидкостным охлаждением. Автор настоящей работы принимал непосредственное участие в подготовке серийного производства системы микроклимата, организации сборочного участка, проверки соответствия изготовленных деталей предоставленной конструкторской документации и отработке технологии установки системы микроклимата на кабину автомобиля.
На производстве была отработана технология сборки и монтажа систем микроклимата (рис. 9Е10), а также внесены необходимые конструктивные изменения по сравнении с системами, разработанными для опытных образцов.
На сегодняшний день ОАО Автоспецоборудование выпускает автомобили Silant с системой кондиционирования воздуха в базовой комплектации. В дальнейшем, разработанные системы микроклимата в составе опытных образцов МТС и серийных образцов МТС Silant были направлены на Автополигон ФГУП НАМИ для проведения экспериментальных исследований в соответствии с разработанной и согласованной программой испытаний.
| Рисунок 9. Монтажный чертеж установки системы микроклимата на кабину: 1 - система; 2 - щит передка | Рисунок 10. Монтаж системы микроклимата на ОАО Автоспецоборудование |
В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований и оценки эргономических параметров рабочего места водителя.
Для оценки эффективности работы системы микроклимата был выбран метод дорожных испытаний на динамометрической дороге Автополигона ФГУП НАМИ и разработана соответствующая программа-методика. Целью проведения дорожных испытаний, являлось определение соответствия МТС Silant, с установленной на нем вновь разработанной системой микроклимата, требованиям ГОСТ Р 50993-96, а также оценка влияния системы микроклимата на топливную экономичность автомобиля. Перед началом испытаний в кабине МТС было установлено измерительное оборудование в соответствии с требованиями РД 37.052.300 и ГОСТ 50993-96 в отношении системы микроклимата. В процессе экспериментальных исследований были получены результаты, позволяющие судить о безопасности и эффективности работы вновь разработанной системы микроклимата в составе МТС Silant (табл. 5).
Таблица 5 - Оценка эффективности и безопасности системы микроклимата
№№ пунктов, подпунктов ГОСТ Р 50993-96 Наименование требований к эффективности и безопасности | Значение параметра, результаты оценки |
5.2. Системы вентиляции | |
5.2.1. Система принудительной вентиляции, при самостоятельной работе, или работе в составе системы отопления и кондиционирования, должна обеспечивать приток свежего (наружного) воздуха в кабину из расчета на одного человека не менее 30 м3/ч. При температурах внешней среды выше 17С подаваемый в кабину воздух не должен нагреваться более чем на 2С относительно температуры внешней среды. | Факт. 35,0 Соответствует. Экспертная оценка конструкции Ц соответствует |
5.2.2. Скорости воздушных потоков на выходе из системы вентиляции не должны превышать 12 м/с. | Факт. 7,0 - соответствует |
5.2.3. Система вентиляции должна обеспечивать в кабине: - подвижность воздуха в зоне головы водителя 0,5Е1,5 м/с - подвижность воздуха в зоне пояса водителя 0,5Е1,5 м/с - перепад между температурой наружного воздуха и температурами в кабине в зоне головы водителя (пассажира) при температуре окружающего воздуха +25С не должен превышать +3С. | Факт. 0,9 Факт. 0,8 Соответствует. Экспертная оценка конструкции - соответствует. |
5.3. Система отопления | |
5.3.1. Система отопления должна обеспечивать тепловые условия (микроклимат) в кабине: - подвижность воздуха в зоне головы водителя не более 0,6 м/с. - подвижность воздуха в зоне пояса водителя не более 0,6 м/с. Через 15 минут после начала движения при температуре окружающей среды до -25С: - температура воздуха в зоне головы водителя не менее 10С - температура воздуха в зоне ног водителя не менее 16С - перепад между температурами в зоне ног и головы водителя 3Е10С - температура воздуха в зоне пояса водителя не менее 15С | Факт. 0,25 Факт. 0,30 Соответствует. Факт. 25,0 Факт. 28,0 Факт. 3,0 Факт. 24,0 Соответствует. |
5.3.4. Температура внутренних поверхностей кабины, нагреваемых источниками тепла, не должна превышать: - 45С - при работающей системе отопления; - 35С - при отключенной системе отопления; Температура наружных поверхностей воздуховодов нагреваемых источниками тепла, не должна превышать 70С. | Конструкция обеспечивает защиту внутренних поверхностей кабины от непосредственного нагрева источниками тепла. Экспертная оценка - соответствует. Открытые поверхности воздуховодов отсутствуют. Экспертная оценка Ц соответствует. |
5.3.5. Температура воздуха на выходе из отопителя не должна превышать 80С. | Факт. 61,0 Соответствует. |
5.4. Система кондиционирования воздуха | |
5.4.1. Конструкция системы кондиционирования должна иметь возможность предотвращения охлаждения воздуха в зоне головы водителя (пассажира), не более чем на 8С относительно температуры внешней среды. | Экспертная оценка конструкции - соответствует. |
5.4.2. Скорость воздушного потока на выходе из системы кондиционирования не должна превышать 12 м/с. Температура воздуха на выходе из системы кондиционирования не должна быть ниже 0С. | Факт. 7,0 Соответствует. Факт. 5,5 Соответствует. |
5.4.3. Скорость воздуха в зоне головы водителя (пассажиров) при работе системы кондиционирования не должна превышать 0,5 м/с. | Факт. 0,2 Соответствует. |
5.4.4. Относительная влажность воздуха в кабине, обитаемом помещении, должна находиться в пределах 30Е60%. | Факт. 39,0 Соответствует. |
5.4.5. Температура наружных поверхностей воздуховодов для холодного воздуха должна быть не менее 15С. | Открытые поверхности воздуховодов отсутствуют. Экспертная оценка Ц соответствует. |
По результатам испытаний специалистами Автополигона ФГУП НАМИ было сделано заключение о соответствии МТС Silant требованиям ГОСТ Р 50993-96.
Оценка влияния работы системы микроклимата на топливную экономичность транспортного средства производилась на спецдорогах Автополигона ФГУП НАМИ.
Анализ результатов испытаний показал, что:
- увеличение расхода топлива при включенном кондиционере на максимальном режиме и выключенной рециркуляции составляет 1,13 л/100км, или 8,66%;
- увеличение расхода топлива при включенном кондиционере на максимальном режиме и включенной рециркуляции составляет 0,57 л/100км, или 4,37%. Таким образом, установлено, что в режиме рециркуляции воздуха затрачиваемая на привод системы микроклимата энергия, уменьшается на 49,6%, при расчетных - 43%;
- увеличение расхода топлива при включенном кондиционере на минимальном режиме составляет 0,59 л/100км, или 4,52%, что сопоставимо с расходом топлива при движении на рециркуляции с включенным на максимум кондиционере;
- увеличение расхода топлива при включенном кондиционере на минимальном режиме при включенной рециркуляции составляет 0,28 л/100км, или 2,15%. Таким образом, при использовании рециркуляции энергия, затрачиваемая на привод системы кондиционирования, уменьшается на 52,5%.
Следовательно, анализ данных изменения расхода топлива транспортного средства при различных режимах работы системы микроклимата подтверждает адекватность результатов расчетных и экспериментальных исследований и расхождение расчетных данных с экспериментальными по расходу топлива находится в диапазоне 3Е13%.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
В результате проведенных исследований, представленных в данной работе, можно сделать следующие основные выводы:
1. В рамках определения влияния системы микроклимата на энергетический баланс транспортного средства сельскохозяйственного назначения по показателям топливной экономичности и улучшения условий труда водителя установлено, что обеспечение сельского хозяйства в целом, и в малых форм хозяйствования в частности, транспортными средствами сельскохозяйственного назначения различных классов, является важной задачей. При этом организация рабочего места водителя согласно эргономическим требованиям и улучшения условий его труда напрямую влияют на производительность труда и экономические показатели хозяйствования. Рекомендуется оборудовать рабочее место водителя системой микроклимата.
2. На основе теплового расчета кабины малогабаритного транспортного средства Silant сформулирована рабочая гипотеза о том, что струя ведет себя в зоне разворота аналогично движению потока воздуха в тройнике с плавными радиусами R1 и R2, соединяющими середины струй на входе и выходе из зоны разворота. По результатам визуализации потока установлено, что средний радиус разворота струи в сторону большого угла разворота примерно равен ширине струи при выходе из зоны, а средний радиус разворота струи в сторону меньшего угла разворота примерно равен 1,5Е2 ширины струи на выходе из зоны разворота. Для улучшения эргономических показателей по обзорности рекомендуется схему течения воздуха в кабине разбить на три области: свободная струя, зона разворота и струя, стелящаяся по поверхности стекла.
3. С помощью вновь разработанной математической модели влияния системы микроклимата на энергетический баланс малогабаритного транспортного средства Silant по показателю топливной экономичности установлено, что расходы топлива на привод системы кондиционирования воздуха сопоставимы с затратами топлива на преодоление аэродинамического сопротивления. Использование системы рециркуляции воздуха позволяет снизить расход топлива на привод системы кондиционирования на 45%.
4. Разработка системы микроклимата по модульному принципу проектирования упрощает технологию сборки, а также процесс монтажа собранного узла на автомобиль.
При выборе варианта обдува ног рекомендуется использовать боковое расположение дефлекторов. Такой вариант расположения позволяет максимально охватить зону расположения ног водителя и пассажиров, при этом пол кабины также является отапливаемым, что положительно сказывается на субъективных ощущениях водителя.
5. Разработанная система микроклимата внедрена в серийное производство на ОАО Автоспецоборудование (г. Великий Новгород). При этом организован сборочный участок и отработана технология установки узла в сборе на кабину малогабаритного транспортного средства Silant. В процессе проведенных комплексных экспериментальных исследований опытных образцов машин подтверждена безопасная и эффективная работа системы микроклимата, а эргономические показатели по улучшению условий труда водителя удовлетворяют действующим нормам и соответствуют требованиям ГОСТ Р 50993-96.
6. Влияние системы микроклимата на топливную экономичность МТС Silant выражается в том, что увеличение расхода топлива при включенном кондиционере на максимальном режиме и выключенной рециркуляции составляет 1,13 л/100 км, или - 8,66%, а при включенной рециркуляции 0,57 л/100км или 4,37%. Установлено, что в режиме рециркуляции воздуха затрачиваемая на привод системы микроклимата энергия уменьшается на 49,6% при расчетных - 43%, а расхождение результатов расчетных и экспериментальных исследований по расходу топлива находится в диапазоне 3Е13%.
7. Проведенные оценочные расчеты экономической эффективности показали, что при планируемом среднем выпуске 10 тыс. машин в год, себестоимость изделия составила 837550 руб., цена одного образца при рентабельности 10% - 921305 руб., при этом верхний предел цены может быть определен конъюнктурой региональных рынков сбыта готовой продукции, а экономический эффект только за счет НДС за расчетный период при заявленной серии - 1,658 млрд рублей.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ
Монография:
1. Московкин, В.В. Тягово-скоростные характеристики и топливная экономичность автомобиля. Теория и практика: Монография [Текст] / В.В. Московкин, Т.Д. Дзоценидзе, А.С. Шкель, М.А. Козловская, С.Н. Семикин. - М.: ЗАО Металлургиздат, 2012. - 204 с. (13,0/1,97 п.л.).
Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации
научных результатов кандидатских диссертаций:
2. Семикин, С.Н. Экспериментальные исследования предсерийных образцов МТС Силант, оборудованных вновь разработанной системой микроклимата [Текст] / С.Н. Семикин // Международный технико-экономический журнал. - 2012. - №3. - С. 98-102. (0,51 п.л.).
3. Семикин, С.Н. Создание новой автомобильной техники высокой проходимости для эксплуатации в условиях малых форм хозяйствования в свете решения задач стратегии развития отечественного автопрома [Текст] / Т.Д. Дзоценидзе, Ю.К. Есеновский-Лашков, М.А. Козловская, С.Н. Семикин, А.В. Журавлев, П.А. Кабанин, А.В. Леонов // Труды НАМИ. Выпуск 246. М., Изд. ГНЦ РФ ФГУП НАМИ. - 2011. - С. 6-29. (1,5/0,22 п.л.).
4. Семикин, С.Н. Исследование условий работы оператора транспортного средства сельскохозяйственного назначения [Текст] / С.Н. Семикин // Международный научный журнал. - 2010. - №3. - С. 67-70. (0,37 п.л.).
5. Семикин, С.Н. Пути решения проблемы усовершенствования системы микроклимата современных и перспективных автомобилей [Текст] / С.Н. Семикин, Н.С. Семикин // Труды НАМИ. Выпуск 239. - М., Изд. ГНЦ РФ ФГУП НАМИ. - 2008. - С. 170-180. (0,92/0,46 п.л.).
Патент:
6. Семикин, С.Н. Устройство отопления [Текст]: пат. 34898 на полезную модель, Рос. Федерация: МПК B60Н 1/02 (2000.01) / Семикин Н.С., Семикин С.Н.; заявитель и патентообладатель ФГУП НАМИ. - №2003127552/20; заявл. 17.09.2003; опубл. 20.12.2003.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям